《A 3D reconstruction method based on grid laser and gray scale photo forvisual inspection of weld》 （SCI 2019 一区）

摘要

焊缝表面的三维重建是焊缝在线可视化检测的关键。通过整合和分析网格激光照射下的焊缝图像，提出了一种新的三维重建算法，不需要额外的光源。在焊缝表面使用网格极激光形成9×9正交光束栅极采用单摄像头在同一坐标系下拍摄。对于每个网格，用网格激光束计算每个点的高度。通过非线性拟合算法重建焊缝的三维轮廓，将高度值与图像的灰度值相结合。 提出的激光-光混合方法不是通过直线激光传感器连续收集焊缝表面信息，而是通过照片获取焊缝表面的三维信息。设计的激光电测量系统可以满足焊缝测量的精度和可靠性要求，消除测量系统和工件之间的偏差误差。

1. Introduction

不同类型的焊道会降低焊接接头的力学性能，缩短产品的使用寿命，甚至导致结构倒塌[1]。因此，不同组织制定了几何缺陷和缺陷的焊缝质量评价标准[2–4]。视觉检查对于检测常见的焊缝缺陷（如表面缺陷和缺陷）非常重要[5]。传统上，视觉检查是由合格的检查员进行的[6]，这个过程非常耗时。此外，由于检查员的主观性和工具的准确性，也会出现不准确的情况。

随着现代工业的发展，图像识别方法[7、8]和三维重建方法[9–11]等先进技术对焊缝进行自动视觉检测。根据获得的信息，用于检测的传感器可分为二维方法[12、13]和三维方法[14、15]。

该方法在不附加结构光的情况下获取图像，经过一定的图像处理后从图像中提取特征信息。Li等人用数码相机对管道焊缝进行反向传播神经网络算法的质量评价。Leo其他人设计了一个基于视觉方法监测不锈钢桶焊接而不使用结构光的自动化系统。二维方法为焊缝的视觉检测提供了一种简单易行的方法。然而，该方法仅通过受环境光源影响的图像灰度值获得焊缝的特征信息。此外，二维方法不能测量焊缝的高度。三维方法是通过在物体表面投射额外的结构光源，如激光来测量扭曲条纹表面的凹凸度。Shao其他人提出了一种传感器，用三个激光条纹获得窄对接焊缝宽度、中心位置和法向量。他和其他人使用激光下的焊接图像，通过视觉注意模型检测焊接轮廓。yan基于形态图像处理方法和CCOT结构激光焊缝检测系统解决了强电弧和飞溅的干扰。Zhang等人[21]提出了一种通过扫描获取焊缝三维信息的交叉结构光，其均方根误差在0.407 mm内部。上述传感器使用线激光检测焊缝的三维信息，它具有通用性强、抗干扰性强的优点。然而，为了获得焊缝的全貌，线激光必须以相对较慢的速度扫描焊缝表面，这降低了检测速度，使其对物体运动引起的振动敏感[22]。

结构光栅光法通过在物体上投射具有编码图案的结构光栅光来捕捉物体的全貌[23]。Wang等人[24]通过计算单次拍摄的相位图获得物体的三维形状。Le等人[25]利用结构光成像和数据集成技术重建具有精确形状边缘的三维曲面。因此，结构光栅光法可以通过单个图像获得物体的三维轮廓，提高测量的精度和速度。然而，数据处理的复杂性和耗时性给工业应用程序带来了困难。

因此，本文提出了一种新的三维重建方法，可以以可接受的交流速度和检测速度获取目标的三维信息。三维重建的方法是使用一个单一的相机，基于集成图像的焊缝没有额外的光源和正交结构网格激光照明。利用正交结构网格激光计算每个小网格的高度值，并与灰度值非线性拟合，提高测量速度和精度。实验结果表明，该方法可以有效地获得焊缝的三维轮廓。

5. Conclusion

1. 提出了一种新的三维重建方法，即在不增加光源的情况下，构网格激光照射下的目标图像，而不增加光源。探测系统中使用的正交结构网格激光器可以通过一次拍摄获得物体的全景。
2. 三维重建过程通过图像处理、高度计算和三维重建算法实现。焊缝采用双边滤波算法进行三维重建，焊缝轮廓与实际焊缝轮廓一致。
3. 三维重建曲面和工业焊缝。基于系统校准，曲面测量误差小于±0.06mm，焊缝测量误差小于±0.09mm。低成本的测量系统可以提供一个可接受的测量精度，使其易于在工业上使用。在未来的工作中，我们将使用更精确的点云设备来实现准确的地面真值来校准系统。
4. 本文提出的三维重建算法的高度值对检测缺陷具有重要意义，如未集成、填充不完整等。然而，传统的视觉检测方法仍然需要检测表面裂纹和表面断裂孔隙率。